(57)【要約】  少なくとも炭素繊維を含む布帛状物から構成したプリフォーム等の炭素繊維基材をレーザーで切断するに際し、レーザーによる基材切断時の状態の目標状態からの変動を抑制または防止可能な初期条件に設定して基材を切断することを特徴とする炭素繊維基材の切断方法。炭素繊維基材をレーザーで切断するに際しての、熱の散逸や、レーザーの焦点距離範囲から外れ、煤等の諸問題を効果的に解消することが可能になり、目標とする所望の状態で安定して炭素繊維基材の切断を行うことができる。
2011114592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも炭素繊維を含む布帛状物から構成した炭素繊維基材をレーザーで切断するに際し、レーザーによる基材切断時の状態の目標状態からの変動を抑制または防止可能な初期条件に設定して基材を切断することを特徴とする、炭素繊維基材の切断方法。
【請求項２】
炭素繊維基材を受け治具上に載置してレーザーで切断するに際し、前記基材を前記受け治具で部分的に受ける、請求項１に記載の炭素繊維基材の切断方法。
【請求項３】
基材の切断位置を、基材が前記受け治具に接触していない位置に設定する、請求項２に記載の炭素繊維基材の切断方法。
【請求項４】
受け治具の基材に対する接触支持部を、帯状、線状または点状の形態に設定する、請求項３に記載の炭素繊維基材の切断方法。
【請求項５】
受け治具の基材への接触表面を、少なくとも断熱性を有する材料から形成する、請求項１〜４のいずれかに記載の炭素繊維基材の切断方法。
【請求項６】
炭素繊維基材を受け治具上に載置して基材をレーザーで切断するに際し、切断位置の両側で受け治具により基材を支持する、請求項１〜５のいずれかに記載の炭素繊維基材の切断方法。
【請求項７】
切断位置の両側の基材の支持部の少なくとも一方の部位で、基材を両面側から把持する、請求項６に記載の炭素繊維基材の切断方法。
【請求項８】
レーザーを照射するレーザーヘッド内からのレーザー照射とともに気体を噴射する、請求項１〜７のいずれかに記載の炭素繊維基材の切断方法。
【請求項９】
気体を照射レーザーと同軸に噴射する、請求項８に記載の炭素繊維基材の切断方法。
【請求項１０】
レーザーヘッド内をヘッド外よりも高圧状態に維持する、請求項８または９に記載の炭素繊維基材の切断方法。
【請求項１１】
レーザーヘッドに吸引手段を設け、基材切断時に発生する煤を吸引する、請求項８〜１０のいずれかに記載の炭素繊維基材の切断方法。
【請求項１２】
切断される炭素繊維基材が、粒子状の樹脂が少なくとも片面に付与された布帛状物同士を前記樹脂を介して接着一体化した積層体からなる、請求項１〜１１のいずれかに記載の炭素繊維基材の切断方法。
【請求項１３】
切断される炭素繊維基材が、予め所定形状に賦形されたプリフォームからなる、請求項１〜１２のいずれかに記載の炭素繊維基材の切断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも炭素繊維を含む布帛状物からなる炭素繊維基材の切断方法に関し、とくに、繊維強化プラスチック(以下、ＦＲＰ[Fiber Reinforced Plastic]と略称することもある。)を作製するための基材を精度よく所定の形状に切断するのに用いて好適な炭素繊維基材の切断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、航空機や自動車などの軽量化のために炭素繊維を使った繊維強化プラスチック(以下、ＣＦＲＰ[Carbon Fiber Reinforced Plastic]と略称することもある。)を使用する機会が増加している。例えば、一方向に引き揃えられた複数本の炭素繊維からなる炭素繊維束を用いた炭素繊維織物を強化繊維基材として使用したＣＦＲＰは、比剛性や比強度の面で金属材料に対して有利な面が多く、様々な部品に採用されている。【０００３】
このようなＣＦＲＰの成形方法としては、プリプレグ／オートクレーブ法、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）成形方法、ＲＦＩ（Resin Film Infusion）成形方法またはそれらから派生した成形方法等、様々な方法が提案されている。この中でも、ＲＴＭ成形方法は、例えば炭素繊維を含む布帛またはその布帛を複数積層した積層体からなる炭素繊維基材を用意し、所望の形状に賦形したプリフォームを予め形成した上で、成形型内に注入したマトリックス樹脂を含浸、硬化させることにより、複雑な形状のＣＦＲＰが得られる点で注目されている。【０００４】
しかし、炭素繊維を含む布帛やその積層体、それらを予め所定形状に賦形したプリフォーム（以下、これらを総称して炭素繊維基材と呼ぶこともある。）を通常の刃物で所定形状に切断しようとする場合、次のような問題が生じることがある。すなわち、炭素繊維は、直径が１０μｍ程度と非常に細いため、炭素繊維布帛の積層体やプリフォームを刃物で接触切断しようとする場合には、炭素繊維自身の固さもあって、切断しようとする箇所を押し潰して切断することになる。このため、その反発力によって炭素繊維が切断端面でほつれやすくなる。特に、布帛を積層してプリフォームを形成してから切断しようとすると、切断面が厚み方向に不揃いとなりやすい。【０００５】
成形型へこのようなプリフォームを配置しようとすると、成形型のキャビティ形状との間にミスマッチが起こる。プリフォームが成形型より大きい場合は、成形型にフィットするサイズに形状を調整するための追加の切断加工作業を行うか、あるいは成形型より大きいプリフォームをそのまま成形型内に収めて成形することになる。後者の場合、成形後のＣＦＲＰのバリ部分にまで炭素繊維が含まれることとなり、バリ取り作業が煩雑になるといった不都合が生じていた。一方、プリフォームが小さい場合は、成形型との間に生じる隙間に樹脂のみ（樹脂リッチ）の部分が形成されるため、マトリックス樹脂の注入前に別途炭素繊維を埋め込む作業が必要となる。また、例えプリフォームと成形型の形状がほぼ一致している場合にも、プリフォームを成形型へ搬送している間などにプリフォームの端部がほつれることがあり、ミスマッチを完全に抑制することは難しい。【０００６】
このようにほつれ易い炭素繊維に対して、炭素繊維同士を結着しておく技術が知られている。例えば、炭素繊維を結着する技術として、短繊維状（３〜２０ｍｍ程度）の炭素繊維を、フェノール樹脂等を介してシート状成形物を得る方法が、特許文献１や特許文献２に記載されている。このシート状成形物の作製方法として、炭素短繊維を二次元平面内に無作為に分散し、フェノール樹脂とともに不活性雰囲気下において、約２０００℃以上の高温で焼成することが記載されている。これらの文献に記載されたシート状成形物は、炭素繊維電極に好適に用いられるものであり、シート状成形物に新たにマトリックス樹脂を含浸させて使用するものではない。また、約２０００℃以上の高温で焼成することから、炭素短繊維自身の全体も炭化するため、炭素短繊維自身が有する弾性率や強度等が得られるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２８８４８９号公報
【特許文献２】特開２００５−２９７５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように炭素繊維基材を通常の刃物を用いて切断する場合の、切断端面にほつれが生じやすく、また、所定形状に精度よく切断しにくいという問題を解消するために、未だ出願未公開の段階にあるが、先に本出願人により、切断端面に特定性状の黒鉛化部（例えば、膜状の黒鉛化部）を生成させることにより、所定形状への容易な切断を達成しつつ、切断端面における炭素繊維のほつれ等を防止できるようにした技術が提案されており（特願２００９−２８５８８２号）、該提案には、このような切断は、レーザー（レーザー光線）による切断によって達成できることも記載されている。【０００９】
ところが、このようにレーザーにより炭素繊維基材を切断する場合、次のような問題が残されていることが明らかになってきた。まず、レーザー加工において、炭素繊維の昇華切断温度は約３８００℃程度と金属（鉄は約１６００℃）よりも高く、雰囲気温度と切断温度の差が大きいため、熱エネルギーが散逸し易い。炭素繊維自体の熱伝導性は一般的な無機物よりも優れているが、布帛状物から構成した基材の形態によっては、切断加工方向、つまり、厚み方向（とくに積層体からなる基材の厚み方向）の熱伝導率が金属に比べて極めて悪くなることがあるため、基材自身を通しての厚み方向の熱供給を受け難くなって、基材の切断温度まで上がりにくくなることがある。レーザーによる切断温度が十分に上がらないと、つまり、炭素繊維の昇華切断温度まで上がらないと、切断不良箇所が生じることになる。【００１０】
また、レーザー切断加工においては、加工可能な焦点距離（集光するため焦点距離）があるが、基材が変形し易いものである場合には、加工可能な焦点距離の範囲から外れてしまうおそれがあり、外れてしまうと、やはり切断不良箇所が生じることになる。【００１１】
そこで本発明の課題は、炭素繊維基材をレーザーで切断する際の上記のような問題点およびレーザー切断加工に伴う他の問題点を解決するために、炭素繊維基材の切断にとって優れた切断性能および前述のごとき優れた切断端面形態を期待できるレーザー切断を、目標とする所望の状態で安定して行うことが可能な炭素繊維基材の切断方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明に係る炭素繊維基材の切断方法は、少なくとも炭素繊維を含む布帛状物から構成した炭素繊維基材をレーザーで切断するに際し、レーザーによる基材切断時の状態の目標状態からの変動を抑制または防止可能な初期条件に設定して基材を切断することを特徴とする切断方法からなる。【００１３】
ここで、本発明における少なくとも炭素繊維を含む布帛状物から構成した炭素繊維基材とは、実質的にあらゆる炭素繊維含有布帛状物から構成した炭素繊維基材を含み、その布帛状物単体、積層体の両方を含む。また、布帛状物の形態としては、例えば、炭素繊維を一方向に引き揃えた一方向織物基材、多軸スティッチ基材、不織布の形態、平織り、綾織、ニット、ブレードなどの形態を含み、さらには、ガラス繊維や有機繊維とのハイブリッド構成でもよい。また、積層体構成を有する基材の場合には、炭素繊維を含む布帛状物の他に、ガラス繊維、アラミド繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維などからなる布帛状物を含んでいてもよい。そして、このような基材が、予め所定形状（二次元形状、三次元形状の両方を含む）に賦形されたプリフォームも本発明の炭素繊維基材に含まれる。前記基材の好ましい形態は炭素繊維の連続繊維からなる前記炭素繊維含有布帛状物から構成されている基材であり、さらに好ましくは、炭素繊維のみから構成される前記炭素繊維含有布帛状物である。さらに、本発明は、主として、樹脂（マトリックス樹脂）が基材に含浸されていない、いわゆるドライの炭素繊維基材を対象としているが、基材に樹脂が含浸された基材、例えば樹脂が硬化前のいわゆるＢ−ステージの状態で含浸されたプリプレグも本発明の炭素繊維基材に含まれる。【００１４】
このような本発明に係る炭素繊維基材の切断方法においては、レーザーによる基材切断時の状態の目標状態からの変動を抑制または防止可能な特定の初期条件に設定し、その条件下で基材を切断する。この目標状態からの変動を抑制または防止するとは、前述のような切断のためのレーザーによる熱の望ましくない散逸を抑制あるいは防止したり、基材の切断すべき部位の加工可能なレーザー焦点距離の範囲からの外れを防止したり、さらにレーザーを照射するヘッドの詰まりを抑制あるいは防止したりすること等を意味する。このようなレーザーによる基材切断時の状態の目標状態からの変動やずれを抑制または防止できる条件に初期設定することで、切断時に望ましくない状態になることが回避され、レーザーによる基材切断を目標とする所望の状態で安定して行うことが可能になる。【００１５】
より具体的な形態としては、炭素繊維基材を受け治具上に載置してレーザーで切断するに際し、前記基材を前記受け治具で部分的に受けるようにすることができる。これは、基本的に、基材からの熱伝導が生じにくい部位にて基材を受け治具で部分的に受け、レーザー切断加工時に熱が散逸しにくい形態を実現するようにしたものである。すなわち、前述したように、炭素繊維の昇華切断温度は約３８００℃程度と金属よりも高く、雰囲気温度と切断温度の差が大きいため熱エネルギーが散逸し易い。さらに、切断加工方向、つまり、基材の厚み方向の熱伝導が金属に比べて悪いため、基材自身からの厚み方向熱供給を受け難く、切断すべき厚み方向部位が切断温度まで上がりにくいという特徴がある。そのため、炭素繊維を含むこのような基材の切断では、熱エネルギーの散逸を大いに抑制する必要があり、熱エネルギーの散逸に関わるパラメータ（熱伝導率、接触面積、接触物との温度差、加熱時間などは散逸量に比例し、接触物との距離は反比例する）を適切な範囲にできる治具構成が重要となるのである。また、熱エネルギーの散逸に代えて、または熱エネルギーの散逸と合わせて、切断する基材と接触する治具の熱容量を可能な限り小さくすると、治具が早期に昇温し、熱エネルギーの散逸を防止することができる。【００１６】
このような構成においては、より具体的には、基材の切断位置を、基材が前記受け治具に接触していない位置に設定することが好ましい。炭素繊維基材に照射された熱エネルギーが受け治具を通して散逸することを防ぐには、受け治具と切断点との距離を離した方が良い。つまり、切断ラインの裏面は受けないほうが良い。一方で、切断点との距離を離しすぎると、基材は撓み易く、焦点距離範囲から外れ易くなるため、適切な距離にする必要がある。例えば、好ましい距離範囲として、１ｍｍ〜２００ｍｍ、２ｍｍ〜１００ｍｍ、さらには３ｍｍ〜７５ｍｍの範囲が挙げられる。ただし、基材も厚みが増すと剛性が向上するため、厚みに応じて最大距離は増加させることもできる。また、受け治具を通した熱エネルギーの散逸は、繊維方向（熱伝導率が高い）において基材を受けている場所のほうが顕著であり、繊維方向に応じて受け治具と切断点との距離を変化させてもよい。例えば、クロス材のような織物基材では、切断ライン上の繊維と直接的に接触していない方向の繊維束の下に受け治具を配置してもよい。【００１７】
また、受け治具の基材に対する接触支持部を、帯状、線状または点状の形態に設定することも好ましい。このような接触支持部で基材を支持すると、受け治具と基材との接触面積を確実に減らすことができ、望ましくない熱の散逸を確実に低減できる。【００１８】
さらに、受け治具の基材への接触表面を、少なくとも断熱性を有する材料から形成することも好ましい。このような構成においては、基材と受け治具との間の熱伝導率を下げることができ、望ましくない熱の散逸をより確実に低減できるようになる。【００１９】
また、本発明に係る炭素繊維基材の切断方法においては、炭素繊維基材を受け治具上に載置して基材をレーザーで切断するに際し、切断位置の両側で受け治具により基材を支持することが好ましい。効率よく迅速にレーザーで基材を切断するには、所定のレーザーの焦点距離範囲から基材の切断すべき部位の位置が外れないようにすることが望まれる。炭素繊維基材、とくに樹脂が含浸されていないドライの基材は、比較的高い柔軟性を有し、撓みやすい。したがって、大きな撓みが生じ、切断点が所定のレーザー焦点距離範囲から外れないようにするために、基材を切断位置の両側で受け、両持ち支持形態として撓みを小さく抑えるのである。とくに、基材の端部は垂れたり、積層体基材の場合には層間が剥離したりしやすいので、端部を切断する場合には切断位置の両側で受け治具により基材を支持することが好ましい。切断位置の両側の少なくとも一方の部位で基材をより確実に支持、固定するために、受け治具には、例えばバキューム吸着機能が付与されていてもよい。また、少なくとも一方の部位で基材を両面側から把持するようにしてもよい。両面側からの把持には、例えば磁力を利用することもできるし、機械的に把持させてもよい。【００２０】
また、本発明に係る炭素繊維基材の切断方法においては、レーザーを照射するのにレーザーヘッドを用いるが、このレーザーヘッド内には、切断部位からの基材の昇華物としての煤が侵入し、レーザー照射路に詰まりが生じるおそれがある。このようなおそれを除去するために、レーザーヘッド内からのレーザー照射とともに気体（好ましい気体として不活性ガス［例えば、窒素ガス］が挙げられる。）を噴射することが好ましい。効果的に煤の侵入や付着を防止するためには、この気体を照射レーザーと同軸に噴射することが好ましい。また、煤が、外部からレーザーヘッド内に侵入しないようにするために、レーザーヘッド内をヘッド外よりも高圧状態に維持することが好ましい。【００２１】
さらに、より積極的に煤を除去することもできる。例えば、レーザーヘッドに吸引手段を設け、基材切断時に発生する煤を吸引するようにすることもできる。煤は上方に上るため、吸引手段の吸引口は切断点以上の高さを含む位置に設置することが好ましい。また、気体を噴射すると、少なからず基材の裏面側に煤が吹き飛ばされるため、裏面にも吸引口（レーザー光を避けて）を設けるとなお良い。【００２２】
また、本発明に係る炭素繊維基材の切断方法においては、前述したように、切断される炭素繊維基材としては、積層体の形態や、予め所定形状に賦形されたプリフォームの形態のいずれも対象とすることができる。積層体の形態とする場合には、粒子状の樹脂が少なくとも片面に付与された布帛状物同士を前記樹脂を介して接着一体化した積層体からなることが好ましい。このように樹脂を介して接着一体化しておくと、所定の積層体構成が崩れにくくなるとともに、プリフォームとした場合にも賦形した形状が保たれやすくなる。
【発明の効果】
【００２３】
このように、本発明に係る炭素繊維基材の切断方法によれば、炭素繊維基材をレーザーで切断するに際しての、熱の散逸や、レーザーの焦点距離範囲から外れ、煤等の諸問題を効果的に解消することが可能になり、目標とする所望の状態で安定して炭素繊維基材の切断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施態様に係る炭素繊維基材の切断方法を示す概略構成図である。
【図２】本発明における受け治具の各種形態例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の別の実施態様に係る炭素繊維基材の切断方法を示す概略構成図である。
【図４】本発明における受け治具の別の各種形態例を示す概略構成図である。
【図５】本発明における受け治具による両側支持の場合（Ａ）と，片側支持した場合（Ｂ）に発生し得る問題点を示す概略構成図である。
【図６】単なる受け治具による両側支持の場合（Ａ）に発生し得る問題点と、本発明における基材両面支持の場合（Ｂ）を示す概略構成図である。
【図７】本発明における実際の切断部の板厚と型のキャビティ厚みとの大小関係に応じて生じる型締め時の各状態を例示する概略構成図である。
【図８】本発明における不活性ガス噴射を伴うレーザー切断の一例を示す概略構成図である。
【図９】本発明における煤の問題と処理法を例示する概略構成図である。
【図１０】本発明における煤の別の問題と処理法を例示する概略構成図である。
【図１１】本発明における粒子状の樹脂を付与された布帛状物の一例を示す部分斜視図である。
【図１２】本発明における三次元プリフォームの切断を含む工程の一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る炭素繊維基材の切断方法を示しており、とくに、炭素繊維を含む布帛状物の積層体からなるプリフォームの周縁部をレーザーで切断する例を示している。図１（Ａ）に示すように、プリフォーム１が受け治具２上に載置され、プリフォーム１の周縁に沿う切断ライン（切断位置３）に沿って、レーザーによる切断が進められる。図１（Ｂ）に示すように、本実施態様では、受け治具２は、ベース４上の波板からなるベッド５上に設けられ、この受け治具２上にプリフォーム１が載置される。プリフォーム１は、受け治具２で部分的に受けられており、切断位置の両側に受け治具２ａ、２ｂが位置している。受け治具２ｂによる支持位置では、押さえ治具６を用いて、プリフォーム１は両面側から把持されている。
【００２６】
レーザーヘッド７から切断用のレーザー光８が切断位置３に向けて照射され、ヘッド７またはベース４を移動させることにより、図１に示した切断ラインに沿ってレーザー切断加工が進められる。切断位置３は、プリフォーム１が受け治具２に接していない位置（受け治具２ａ、２ｂ間の位置）に設定されている。レーザーヘッド７から照射されるレーザー光８は、光ファイバ９を通してヘッド７内に導入され、焦点距離をプリフォーム１の厚み方向の切断部位に合わせた状態で集光され、切断に供される。レーザーヘッド７内には、ヘッド７の過熱を抑えるために、冷却水行きライン１０、冷却水戻りライン１１を介して冷却水が循環される。また、本実施態様では、切断時に発生する煤１２によるヘッド７内等の詰まりを防止するために、不活性ガス供給ライン１３から供給された不活性ガス（例えば、窒素ガス）がヘッド７内を通して切断位置３に向けて、照射レーザー光８と同軸状態にて噴射されるようになっている。また、レーザーヘッド７には、下方に向けて広がるラッパ状の吸引ケース１４が設けられており、切断位置３から上昇してきた煤１２が、吸引ケース１４内に集められ、真空ポンプ１５などの吸引装置により、吸引ライン１６を介して吸引除去されるようになっている。
【００２７】
このような装置を用いたプリフォーム１の切断においては、レーザー光８による切断位置３ではプリフォーム１は受け治具２に接していないので、切断に必要な熱の散逸が抑えられる。また、プリフォーム１は、切断位置３の両側で受け治具２ａ、２ｂによって支持されるので、プリフォーム１の撓みにより切断部位がレーザー光８の適正焦点距離範囲から外れることが回避され、所定の望ましい切断条件が保たれる。さらに、レーザーヘッド７に不活性ガスが供給されて噴射され、煤１２が適切に吸引除去されるので、レーザーヘッド７の詰まりが防止され、所望のレーザー切断加工状態が安定して維持される。
【００２８】
図２は、本発明において、炭素繊維基材としてのプリフォームを受け治具で受ける際の各種形態を例示している。図２（Ａ）に示す形態では、プリフォーム２１は上記のような複数の帯状の受け治具２２で受けられ、受け治具２２間に切断位置が設定される。図２（Ｂ）に示す形態では、ピン状に立設した複数の受け治具２３でプリフォーム２１が受けられ、点状に接触させて受けることにより熱の散逸抑制のために接触面積が低減されている。図２（Ｃ）に示す形態では、断面がジグザグ形状の波板からなる受け治具２４でプリフォーム２１が受けられ、線状に接触させて受けることにより熱の散逸抑制のために接触面積が低減されている。図２（Ｄ）に示す形態では、複数の帯状の受け治具２２と波板からなる受け治具２４との組み合わせ構成とされ、プリフォーム２１は複数の帯状の受け治具２２で受けられ、波板からなる受け治具２４は、プリフォーム２１を直接受ける治具ではなく、図１に示したようなベッドとして機能している。このベッドを波板構造とすることで、受け治具２２を通してベッドやベース側への熱の逃げを抑え、レーザー切断加工における熱の散逸を抑制している。図２（Ｅ）に示す形態では、プリフォーム２１は、井桁状または格子状の受け治具２５で受けられ、やはり接触面積が低減されて熱の散逸を抑制している。
【００２９】
図３は、図１に示した形態に比べ、切断位置が、互いに離間した複数の切断位置３１ａ、３１ｂからなる場合を示しており、それら切断位置３１ａ、３１ｂに応じて、プリフォーム１の受け治具３２との接触部３３と非接触部３４とが適切に設定されている。このように、プリフォーム１の切断すべき位置や数に応じて、受け治具３２の分割形態等を適切に設定することが可能である。その他の構成は図１に示した構成に準じるので、図１と同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００３０】
図４（Ａ）〜（Ｄ）は、図２（Ａ）〜（Ｄ）に示した形態に比べ、断熱材構成を採用した形態を例示している。図４（Ａ）に示す形態では、プリフォーム２１は図２（Ａ）に示したのと同様の形状の受け治具４１で受けられるが、受け治具４１自体が断熱材で構成されるか、または受け治具４１の表面に断熱材４２の層が設けられている。このような断熱材４２を介在させることで、レーザー切断加工における熱の散逸がより効率よく抑制される。図４（Ｂ）に示す形態では、プリフォーム２１は図２（Ｂ）に示したのと同様の形状のピン状に立設した複数の受け治具４３で受けられるが、各受け治具４３に表層断熱材４４が設けられている。このような表層断熱材４４を介在させることで、レーザー切断加工における熱の散逸がより効率よく抑制される。図４（Ｃ）に示す形態では、プリフォーム２１は図２（Ｃ）に示したのと同様の断面がジグザグ形状の波板からなる受け治具４５で受けられるが、受け治具４５のプリフォーム２１との接触部であるジグザグ形状の頂点部に、断熱材４６を介在させることで、レーザー切断加工における熱の散逸がより効率よく抑制される。図４（Ｄ）に示す形態では、図４（Ｄ）に示したのと同様に、複数の帯状の受け治具４７と波板からなる受け治具４８との組み合わせ構成とされるが、プリフォーム２１と接触する帯状の受け治具４７の接触部側に、断熱材４９を介在させることで、レーザー切断加工における熱の散逸がより効率よく抑制されるようになっている。また、前記断熱材を介在させる方法は、受け治具に求められる機能のうちの断熱機能を機能分離させた形態であり、例えば、受け治具の骨格を金属材料、表層に薄い断熱層であるガラス繊維織物などを取り付ければ、プリフォームの位置決めと加工時の断熱を両立させることもでき好ましく用いることができる。
【００３１】
前述したように、基材の厚み方向における切断位置は、レーザーの適切な焦点距離範囲内にある必要がある。そのためには、炭素繊維基材の切断位置における撓みは極力小さく抑えられなければならない。特に、基材の端部に切断位置がある場合には、基材の撓み量に注意が必要である。
【００３２】
図５は、炭素繊維基材としての、プリフォームの撓みを小さく抑える手法について例示している。図５（Ａ）は、プリフォーム５１の切断位置５２の両側に受け治具５３を配置した形態を示しており、光ファイバ５４からレーザーヘッド５５に送られてくるレーザー光５６を照射する場合、レーザー光５６はある焦点距離を持つことになり、その焦点の近傍がプリフォーム５１の厚み方向における切断可能範囲５７となる。この切断可能範囲５７からプリフォーム５１の厚み方向における切断すべき部位が撓み等により外れてしまうと、切断不良箇所や切断されない箇所が生じるおそれがある。このような望ましくないプリフォーム５１の撓みを防止するために、受け治具５３を切断位置５２の両側に配置するとともに、治具５３間の距離も適切に設定しなければならない。撓みやすいプリフォーム５１に対しては比較的小さな間隔に設定する必要がある。そして、両側の受け治具５３でより確実にプリフォーム５１を保持するためには、図示の如く、プリフォーム５１を吸着可能な吸引機構５８を設けることが好ましい。より好ましくは、図示のように両側の受け治具５３にそれぞれ吸引機構５８を設けるのがさらに良い。ただし、プリフォームの厚み方向に部分切断したいときには敢えて、焦点をはずすことで部分切断プリフォームを製造することもできる。
【００３３】
プリフォーム５１の端部をレーザー切断加工する場合には、切断位置の両側で支持するのが難しく、片側支持にならざるを得ない場合もある。このような場合には、例えば、図５（Ｂ）の（Ｂ−１）に示すように、垂れ５９ａや積層体の場合の層間剥離５９ｂが生じやすくなるが、このような場合において、図５（Ｂ）の（Ｂ−２）に示すようにプリフォーム５１に切断可能範囲を外れてしまう部位が生じると、その部位には切断されない部分６０ａ、６０ｂが発生する可能性がある。したがって、プリフォーム５１の端部をレーザー切断加工する場合にあっては、極力、切断位置の両側で支持するようにすることが望ましい。
【００３４】
また、図６（Ａ）に示すように、プリフォーム６１の切断位置６２の両側で受け治具６３で下側から受けるだけの形態にて切断する場合、プリフォーム６１が自重で撓み６６（垂れ）が生じやすい場合、あるいは、前述の如きレーザーヘッド６４から不活性ガス６５が噴射され場合にはその噴射圧力でプリフォーム６１に切断位置６２において撓み６７が生じる場合、などにおいては、レーザー光の焦点距離前後の切断可能範囲から外れるおそれがある。そのような場合には、図６（Ｂ）に示すように、プリフォーム６１の切断位置６２の両側に設けられる受け治具６３の少なくとも一方を、プリフォーム６１を両面側から把持し、それによってプリフォーム６１の撓みを小さく抑えるようにして切断可能範囲６８内に納めるようにすることが好ましい。この場合、図６（Ｂ）の左側に示すように機械的にクランプすることが可能であり、右側の受け治具６９に示すように、磁力を利用して両面側の受け治具６９が互いに吸着し合うようにした構成を採用することも可能である。
【００３５】
また、上記のように両面からプリフォームを把持する場合には、切断部の板厚としては以下のようにすることが好ましい。図７（Ａ）に示すように、とくにＲＴＭ成形などのように上型１４１と下型１４２で形成されるキャビティ１４３の型閉めした際の厚み１４４に指定がある場合、プリフォーム１４５の実際の切断部(切断端部)の板厚１４６は、上記キャビティ厚み１４４より小さいことが好ましく、さらに好ましくは０．０５ｍｍ以上小さいことが望ましい。このようにすれば、例えば前述した、切断端面に特定性状の膜状の黒鉛化部１４７を生成させて切断端面における炭素繊維のほつれ等を防止する場合に（先に特願２００９−２８５８８２号で提案された技術を適用する場合に）、型閉めの際に膜状の黒鉛化部１４７に悪影響を及ぼさずに済む。図７（Ｂ）に示すように、上記キャビティ厚み１４４よりプリフォーム１４８の実際の切断部の板厚１４９が厚い場合、型閉め時に、切断端面に生成された特定性状の膜状の黒鉛化部１５０に悪影響が与えられる(例えば、図示例の如く、膜状の黒鉛化部１５０が痛められたり、破壊されたりする)おそれがある。また、図７（Ｃ）に示すように、上記キャビティ厚み１４４とプリフォーム１５１の実際の切断部の板厚１５２が略一致している場合は、型締め時に上下の金型１４１、１４２で膜状の黒鉛化部１５３を把持する形になり、ＲＴＭ成形で注入した樹脂が膜状の黒鉛化部１５３と型の間に回らず、膜状の黒鉛化部１５３の箇所を起点に樹脂が割れやすくなる可能性がある。
【００３６】
また、本発明に係る切断方法において、レーザーを所定の条件で安定して照射するためには、レーザーヘッド内の詰まりは防止されなければならない。このために、図８に示すように、レーザー光７１を照射するレーザーヘッド７２内に、光ファイバ７３を介してレーザー光７１を導光するとともに、不活性ガス供給ライン７４を通して窒素ガス等の不活性ガス７６をレーザーヘッド７２内に導き、レーザー光７１をプリフォーム７５に向けて照射する際に、不活性ガス７６も同時にプリフォーム７５の切断位置に向けて噴射することが好ましい。このとき、不活性ガスは、レーザー光７１と同軸に噴射されることが好ましい。
【００３７】
上記のように不活性ガスを供給、噴射できない場合には、図９（Ａ）に示すように、レーザーヘッド８１内の圧力（気圧）を、レーザーヘッド８１外よりも高圧状態に維持しておくことが好ましい。プリフォーム８２をレーザー光８３で切断する場合、プリフォーム８２構成材の昇華により煤８４が発生し、その煤８４が上昇してレーザーヘッド８１の照射口側に上がってくることがある。上記のようにヘッド内を高圧状態にしておくと、この煤８４のヘッド８１内への侵入を防止することができる。ただし、ヘッド内圧力が低いと、図９（Ａ）に破線で示すようにヘッド８１内に煤８５が侵入するおそれがある。その場合には、図９（Ｂ）に示すようにレーザーヘッド８６内の高圧化とともに、図８に示したのと同様に不活性ガス供給ライン７４を通してレーザーヘッド８６内に不活性ガスを導き、その不活性ガス７６をレーザー光８３の照射とともに、プリフォーム８２の切断位置に向けて噴射するようにすればよい。このようにすれば、煤８４のレーザーヘッド８６内への侵入を抑制でき、ヘッド８６の詰まりを防止することができる。
【００３８】
上記のように発生した煤は図１０（Ａ）に示すように、不活性ガス供給ライン７４から供給された不活性ガス７６をレーザー光８３の照射とともにプリフォーム８２に向けて噴射することによって、レーザーヘッド８６内への侵入は防止可能であるが、一方で、噴射された不活性ガス７６の流れとともに切断位置の周囲に煤８４が飛散するおそれがある場合もある。このような煤８４の飛散を防止するためには、積極的に煤８４を除去することが好ましく、有効な手段として吸引除去が挙げられる。図１０（Ｂ）に示すように、レーザーヘッド８６の下部に吸引用スカート９１を取り付け、この吸引用スカート９１内に煤８４を集めるとともに、スカート９１内に連通する吸引ライン９２を介して真空ポンプ９３により煤８４を吸引除去するようにすることもできる。
【００３９】
さらに、図１０（Ｃ）に示すように、プリフォーム８２の所定の切断位置における切断が完了した直後には、レーザー光８３がプリフォーム８２を厚み方向に突き抜けると同時に不活性ガス７６もプリフォーム８２の裏面側にまで噴射されてしまうことがある。このような状態になると、煤８４がプリフォーム８２の裏面側にも発生してしまうことになるので、図１０（Ｃ）に示すように、裏面側にも吸引除去手段を設けておくことが好ましい。例えば、受け治具９４を下面側から支える波板状のベッド９５の上面側に連通する吸引ライン９６を設け、真空ポンプ９７により煤８４を吸引除去するようにできる。
【００４０】
前述したように、切断される炭素繊維基材として、粒子状の樹脂が少なくとも片面に付与された布帛状物同士をその樹脂を介して接着一体化した積層体構成を採用することができる。つまり図１１に示すように、炭素繊維布帛１０１（図示例は、一方向炭素繊維織物）上に、接着用の粒子状の樹脂１０２を散在させた状態を示しており、このような布帛状物を積層一体化することにより形成できる。このような積層体は、例えばプリフォームを三次元形状に賦形する場合、その賦形形状を良好に維持しておくのに有効である。
【００４１】
プリフォームの三次元形状が維持できるようになると、プリフォームの搬送や各種処理を行いやすくなる。例えば図１２に示すように、多関節ロボット１１１で三次元プリフォーム１１２を搬送し、それをレーザー光１１３による切断処理装置１１４の処理台１１５上に設置する場合にも、所定の三次元形状を維持しやすくなる。図１２に示した例では、レーザー光１１３は別の多関節ロボット１１６の先端部に取り付けたレーザーヘッド１１７から照射され、レーザーヘッド１１７には光ファイバ１１８からレーザー光が導光されるとともに、真空ポンプ１１９による吸引ライン１２０がヘッド１１７へと接続されている。真空ポンプ１１９による吸引ライン１２０はフィルタ１２１を介して吸引され、その下部側にはドレン１２２が溜められ、ドレン１２２はバルブ１２３の開閉により適宜排出される。
【００４２】
また処理台１１５には、圧空ライン１２４が連結されており脱型や清掃に供される。また、真空吸引ライン１２５が連結されており、三次元プリフォーム１１２のバキュームクランプや、前述の煤吸引除去、レーザー切断時に発生する切子の吸引除去等に供される。この吸引ライン１２５には前述したようなドレンライン１２６や、処理方向切り換えのための三方電磁弁１２７、フィルタ１２８等が設けられている。多関節ロボット１１６には不活性ガス供給ライン１２９、冷却水行きライン１３０、冷却水戻りライン１３１等が通されている。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る炭素繊維基材の切断方法は、炭素繊維布帛状物からなるあらゆる基材やプリフォームの切断に適用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１、２１、５１、６１、７５、８２  プリフォーム
２、２ａ、２ｂ、２２、２３、２４、２５、３２、４１、４３、４５、４７、４８、５３、６３、６９、９４  受け治具
３、３１ａ、３１ｂ、５２、６２  切断位置
４  ベース
５、９５  ベッド
６  押さえ治具
７、５５、６４、７２、８１、８６、１１７  レーザーヘッド
８、５６、７１、８３、１１３  レーザー光
９、５４、７３、１１８  光ファイバ
１０、１３０  冷却水行きライン
１１、１３１  冷却水戻りライン
１２、８４、８５  煤
１３、７４、１２９  不活性ガス供給ライン
１４  吸引ケース
１５、９３、９７、１１９  真空ポンプ
１６、９２、９６、１２０、１２５  吸引ライン
３３  接触部
３４  非接触部
４２、４４、４６、４９  断熱材
５７、６８  切断可能範囲
５８  吸引機構
５９ａ  垂れ
５９ｂ  層間剥離
６０ａ、６０ｂ  切断されない部分
６５、７６  不活性ガス
６６，６７  撓み
９１  吸引用スカート
１０１  炭素繊維布帛
１０２  粒子状の樹脂
１１１、１１６  多関節ロボット
１１２  三次元プリフォーム
１１４  切断処理装置
１１５  処理台
１２１、１２８  フィルタ
１２２  ドレン
１２３  バルブ
１２４  圧空ライン
１２６  ドレンライン
１２７  三方電磁弁
１４１  上型
１４２  下型
１４３  キャビティ
１４４  キャビティ厚み
１４５、１４８、１５１  プリフォーム
１４６、１４９、１５２  切断部の板厚
１４７、１５０、１５３  膜状の黒鉛化部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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